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Estudio para la reduccin de la frecuencia de interrupcin en el sistema elctrico del edificio Petrleos de Venezuela

(Condensado)

Autor:

MARTNEZ MIRELES, SALVADOR ALFONSO

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Estudio para la reduccin de la frecuencia de interrupcin en el sistema elctrico del edificio Petrleos de Venezuela

Resumen

Corpoven S.A., plante la necesidad de realizar un estudio para reducir la frecuencia de interrupcin en el sistema elctrico de su edificio sede, motivado a los problemas que presentaba su sistema de protecciones en los ltimos aos. Para ello se llev a cabo el desarrollo de un software para el clculo de corrientes de cortocircuito, actualizacin de los diagramas unifilares del edificio, un estudio de cortocircuito, la verificacin de las capacidades de interrupcin de los equipos de proteccin, un estudio de la coordinacin de protecciones en las subestaciones y tableros principales, y un estudio sobre la influencia de corrientes armnicas sobre las protecciones elctricas existentes. Se determin que la causa principal del valor actual de la frecuencia media de interrupciones en el sistema elctrico del edificio era la deficiente coordinacin de las protecciones principales en caso de ocurrir cortocircuitos simtricos o asimtricos. En base a los resultados de los estudios realizados se hizo una propuesta factible y recomendaciones para llevar a valores mnimos la frecuencia de interrupcin, asegurando el correcto funcionamiento de las protecciones y la continuidad de servicio del sistema elctrico del edificio.

Palabras clave: frecuencia de interrupcin, clculo de corrientes de cortocircuito, coordinacin de protecciones, armnicos.

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Introduccin

La energa elctrica es fundamental para las

actividades que se llevan a cabo en un edificio. Con

ella se produce luz, funcionan los equipos de oficina,

por lo que la suspensin del suministro de energa a

un edificio trae consecuencias desastrosas como

molestias a los usuarios, prdida del confort,

productividad y ms en un edificio tan importante

como el de la sede de Petrleos de Venezuela y su

filial Corpoven.

En los ltimos aos, se han presentado

numerosos cortocircuitos en el sistema elctrico del

edificio Petrleos de Venezuela, en las que se ha

perdido la selectividad del sistema de proteccin, lo

que ha trado como consecuencia que sea

interrumpida la alimentacin elctrica a una zona

muy amplia del sistema elctrico, lo cual aumenta la

frecuencia media de interrupciones. En otros casos,

ocurri la explosin de algunos interruptores de caja moldeada en tableros de distribucin, motivado a que

estos no posean una adecuada capacidad de

interrupcin.

El objetivo principal de este trabajo es la reduccin de la frecuencia de interrupciones en el

sistema elctrico del edificio Petrleos de

Venezuela, en caso de cortocircuitos, para asegurar

la continuidad del servicio elctrico en el mismo.

Adicionalmente se plante tambin el desarrollo de

un software para el clculo de corriente de

cortocircuitos el cual sera una valiosa herramienta

para la realizacin del estudio.

Este trabajo de investigacin incluy el clculo de corrientes de cortocircuito simtricas y asimtricas

en los tableros del edificio, la verificacin de las

capacidades de interrupcin de los equipos de

proteccin, su coordinacin y un breve estudio sobre

la influencia de corrientes armnicas en las

protecciones elctricas. Dichos estudios son muy

valiosos para la generacin de las propuestas que

darn una solucin al problema, en base a los

resultados obtenidos.

El edificio recibe el suministro de energa de La

Electricidad de Caracas a 480 voltios y es distribuida

en forma radial a travs de toda la edificacin por

medio de tableros. La alimentacin primaria recibida

de La Electricidad de Caracas, se distribuye a partir

de dos subestaciones principales: Subestacin #1 y

Subestacin #2 que alimentan cinco barras en 480

V. Las subestaciones #1 y #2 alimentan 11 tableros

principales, de donde se distribuye la energa a ms

de 250 tableros de distribucin en toda la extensin del edificio.

Fundamentos Tericos

Un cortocircuito es un fenmeno elctrico que

ocurre cuando dos puntos entre los cuales existe una

diferencia de potencial se ponen en contacto entre s,

caracterizndose por elevadas corrientes circulantes

hasta el punto de falla, produciendo efectos

destructivos en las redes elctricas.

Para determinar la magnitud de las corrientes de

cortocircuito existe el mtodo de componentes

simtricas, basado en la descomposicin de vectores

que representan corrientes desequilibradas (fallas asimtricas) en sistemas de vectores equilibrados denominados componentes simtricos. Con esta

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herramienta, las fallas asimtricas se pueden estudiar

de manera similar a como se estudian las fallas

simtricas (trifsicas). Este mtodo se puede aplicar utilizando las propiedades de la matriz de impedancia

de barra.

Segn la IEEE Std 242-1986 [6], para el clculo de corrientes de cortocircuito en sistemas de baja tensin (edificios comerciales), solamente se requiere calcular los valores mximos de corriente de

cortocircuito simtrica para el primer ciclo. El punto

de partida es la preparacin de un diagrama unifilar

con la identificacin y datos de los elementos del

sistema, tales como generadores, motores, cables,

transformadores, red de suministro de energa, equipo

de proteccin y maniobra (interruptores, rels, fusibles), etc.

El prximo paso es determinar, del diagrama

unifilar, la localizacin y tipo de fallas a estudiar,

considerando las condiciones ms severas de

operacin. Las fallas a estudiar son las trifsicas,

lnea a linea (bifsicas), lnea a tierra (monofsicas) y estas tres con alta impedancia (con arco).

Posteriormente se debe preparar un diagrama de

impedancias dependiendo del tipo de falla a estudiar:

Los diagramas deben contener los valores de

impedancia convertidos a por unidad, la

identificacin de cada barra y de cada componente.

Para hacer los diagramas de impedancias se

requiere determinar la impedancia de cada uno de los

componentes del sistema, para lo cual se recomienda

seguir las siguientes consideraciones:

- Se desprecian las cargas pasivas (impedancia infinita a referencia).

- Las tensiones de las mquinas rotativas y la

fuente de suministro de potencia se asumen

constantes con un valor igual a la tensin nominal del

sistema.

- Se usarn las reactancias subtransitorias de las

mquinas rotativas y dems elementos del sistema.

- Los valores de impedancia de los distintos

componentes del sistema se obtienen de los datos de

placa del fabricante, o tablas de valores estndar.

- Se desprecian las impedancias de barras

colectoras, interruptores y transformadores de

corriente.

- Se desprecia la contribucin de motores de

induccin con potencia menor a 50 HP.

La coordinacin de protecciones, es la operacin

selectiva de los diferentes dispositivos de proteccin,

de manera que stos acten en secuencia, permitan la

localizacin de las condiciones de falla y se saque de

servicio solamente la parte afectada. La coordinacin

se realiza ms fcilmente si las caractersticas tiempo

- corriente de los diferentes dispositivos son

dibujadas en papel log - log (logartmico). Estas representaciones de las caractersticas de los rels de

sobrecorriente, fusibles, interruptores

termomagnticos y otros dispositivos, ayudan en la

eleccin del equipo correcto y la selectividad

deseada. Algunos de los dispositivos de proteccin

ms comnmente usados en los sistemas elctricos de

baja tensin son los fusibles limitadores, interruptores termomagnticos y conjuntos rels - interruptores de potencia.

Segn la Norma sobre los indicadores de gestin

de CADAFE [3], la Frecuencia de interrupciones (F) es la medida que nos permite conocer el nmero

promedio de veces que se interrumpe el servicio de

energa elctrica a un circuito en un perodo de

tiempo dado. Viene dado por:

F = KVA(Interrumpidos) / KVA(Instalados) Se deben desagregar las interrupciones por parte

de la empresa de suministro elctrico.

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La introduccin de nuevas tecnologas en los

sistemas de potencia tales como cargas no lineales

basadas en semiconductores que requieren corrientes

no sinusoidales ha trado como consecuencia el flujo de corrientes armnicas hacia el sistema de potencia

AC. Esta situacin puede crear interferencia con los

equipos de comunicacin, sobrecalentamiento de

equipos y peligrosas condiciones de resonancia en el

sistema.

En edificios comerciales, el que ms contribuye

al flujo de armnicos es el computador personal (PC) debido a que usan una fuente de alimentacin tipo

diodo/condensador (switch), al igual que la mayora de los otros equipos electrnicos de oficina. Las

armnicas tambin son generadas por las bobinas

(balastos) para lmparas fluorescentes. En el caso de lmparas con bobinas de ncleos magnticos

normales, la corriente de tercera armnica generada

(a 180 Hz) se sita en 20% aproximadamente de la frecuencia fundamental a 60 Hz. Los balastos

electrnicos generan una tercera armnica an mayor,

de hasta 80%. Otros equipos de estado slido, como

los de comunicacin, arrancadores suaves de motores,

rectificadores AC-DC y fuentes de energa

ininterrumpibles (UPS) tambin contribuyen en gran proporcin al flujo de armnicas en los sistemas de potencia de edificios.

La Distorsin Armnica Total (THD) es un trmino comnmente usado para medir el efecto de

los armnicos sobre la tensin o corriente del sistema

de potencia.

THD=Suma de los cuadrados de lasamplitudes de todos los armnicos

Cuadrado de la amplitud de la fundamental100%

Resultados y Anlisis de Resultados

Primeramente, se actualizaron los diagramas

unifilares del sistema elctrico del edificio,

recopilando a su vez los datos necesaria para los

estudios de cortocircuito y coordinacin de

protecciones, incluyendo informacin de cables,

motores, generadores, transformadores, acometida y

dispositivos de proteccin.

Posteriormente se seleccionaron el tipo de fallas

(cortocircuitos) a estudiar, condiciones de operacin del sistema y se construyeron los diagramas de

impedancia a para secuencia positiva, negativa y cero,

a partir del diagrama unifilar de la red elctrica del

edificio. Las impedancias de los distintos elementos

del sistema (cables, motores, generadores, acometida y transformadores) generalmente se calcularon a partir de tablas estandarizadas de las normas IEEE.

Para el clculo de las corrientes de cortocircuito

en el edificio, se desarroll un software que puede

aplicarse para simular un amplio rango de sistemas

elctricos de potencia de distribucin, transmisin o

industriales. El programa es particularmente

ventajoso para estudios de cortocircuito en sistemas de potencia de edificios comerciales ya que minimiza

el tiempo necesario para introducir los datos de la red

elctrica al convertir automticamente los valores de

las impedancias a una base comn en por unidad y

solamente se debe especificar la informacin mnima

para modelar el sistema, adems de otras facilidades

como una librera de impedancias por unidad de

longitud de cables usados en estos sistemas.

El programa calcula fallas trifsicas y

monofsicas considerando la contribucin de

motores, generadores y la red de suministro elctrico.

Los sistemas introducidos se pueden almacenar en

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archivos, lo que permite hacerle modificaciones o

expansiones a futuro. Adicionalmente calcula la cada

de tensin de cables para aprovechar la informacin

que se introdujo.

Para el desarrollo del programa se siguieron los

procedimientos establecidos en los libros de anlisis

de sistemas de potencia y las ltimas

recomendaciones del IEEE para estudios de

cortocircuito.

El programa se fundamenta en la modelacin de

los diagramas de impedancia, para obtener la matrices

de impedancia de barra y calcular las corrientes de

cortocircuito con las ecuaciones correspondientes.

El software corre en cualquier computador PC

IBM compatible. Tiene una capacidad para

aproximadamente 130 barras y se incluye en un

diskette que acompaa los tomos del trabajo.

El programa hace los clculos para el primer

medio ciclo considerando la contribucin de los

motores, y tambin calcula (si as lo desea el usuario) la corriente de cortocircuito para el perodo de

interrupcin de los dispositivos de proteccin cuando

ya ha desaparecido la contribucin de los motores a la

falla.

Luego de actualizado el diagrama unifilar y

desarrollado el software, se introdujeron los datos necesarios al programa y se calcularon las corrientes

de cortocircuito en aproximadamente 300 puntos del

sistema elctrico (acometida, subestaciones, motores, generadores, tableros y transformadores de

distribucin).

Los resultados de estas simulaciones se

resumieron en tablas, las cuales contienen los

siguientes datos para cada punto de falla: tensin

nominal, relacin X/R de cortocircuito, corrientes de

cortocircuito para fallas trifsica, bifsicas y

monofsicas galvnicas; corrientes de cortocircuito

para fallas trifsica, bifsicas y monofsicas con arco;

capacidad de interrupcin del dispositivo de

proteccin asociado a la barra y corriente nominal del

dispositivo de proteccin asociado a la barra.

Para cada punto de falla contenido en las tablas,

se compar la magnitud de la corriente de

cortocircuito ms desfavorable con la capacidad de

interrupcin simtrica del interruptor ubicado aguas

arriba a la falla. Esta verificacin se hizo porque si

algn interruptor no posee una capacidad de

interrupcin adecuada, podra llegar a explotar o sus

contactos se daaran al tratar de interrumpir

corrientes (en caso de cortocircuito) con magnitud mayor a la que ste puede operar con seguridad.

Result un total de 12 breakers con inadecuada

capacidad de interrupcin en la verificacin hecha a

las protecciones de sobrecorriente del edificio. Para

solucionar esta anomala, se propuso la sustitucin de

estos breakers por otros equivalentes con mayor

capacidad de interrupcin y se hizo una estimacin

de costos, resultando una inversin aproximada de 4

millones de bolvares.

Con fines de verificar el comportamiento y la

selectividad de las protecciones elctricas del edificio

en caso de fallas a tierra, se hizo un anlisis de los

tiempos de operacin de los mismos en caso de fallas

a tierra monofsicas con contacto directo (galvnicas) y de alta impedancia (con arco), motivado a que slo existe proteccin de falla a tierra en los interruptores

de salida de las barras y tableros principales

ubicados en las subestaciones del edificio.

Para llevar a cabo esta revisin, se tom como

base las corrientes de cortocircuito monofsicas con y

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sin arco en los distintos tableros del sistema elctrico

calculadas con el uso del software. Luego, a partir de

estos valores, el tipo de interruptor instalado y sus

curvas de tiempo - corriente. Se determin el tiempo

mximo de operacin de los mismos en caso de fallas

monofsicas y los resultados se tabularon en tablas.

Se determin, como resultado de estas tablas, que

en la mayora de los casos, las fallas monofsicas

galvnicas son despejadas instant-neamente por la proteccin correspondiente, exceptuando algunos

casos en donde la probabilidad de falla es muy

remota. Para fallas con alta impedancia, los tiempos

de operacin son muy largos y se podra presentar

una grave prdida de la selectividad del sistema al

ocasionarse la apertura de alguno de los interruptores

de la subestacin o los tableros principales.

Sin embargo, las fallas ms frecuentes en el

edificio son las galvnicas y es difcil detectar y

despejar fallas con arco. La solucin a este problema es muy costosa en comparacin con los beneficios

que se obtienen, ya que cada unidad de proteccin

falla a tierra a colocar tiene un costo muy elevado y

las fallas ms frecuentes son las galvnicas.

En base a los registros de fallas ocurridas en el

sistema elctrico del edificio, se calcul el valor de la

frecuencia de interrupciones actual, resultando una

interrupcin cada dos aos considerando la capacidad

instalada del edificio completo y dos interrupciones

anuales considerando la capacidad instalada en los

tableros principales de las torres, en donde

histricamente han ocurrido ms fallas.

Se hicieron mediciones en los tableros principales

del edificio, para verificar la posible influencia de las

corrientes armnicas sobre los rels de proteccin que

actan sobre los interruptores de potencia de las

subestaciones, ya que de ser as se podra verse

afectada gravemente la selectividad del sistema. Se

construy una tabla con el factor de distorsin

armnica en la corriente (THD) para cada tablero principal.

En dos tableros que alimentaban motores con

arrancadores suaves y muchos equipos electrnicos

(de telecomunicacin) se observaron niveles de THD mayores a los mximos establecidos por la norma

IEEE 519-1992 [8] que es del 8%. Los tableros generales de las torres, adems de esto, tienen un

THD superior al 10% y segn la misma norma, los

rels de proteccin de estos tableros en la subestacin

podran tener malas operaciones. Sin embargo, el

ajuste de la corriente nominal de estas protecciones es mucho menor a la corriente de carga mxima de los

tableros, por lo que se presume no sucedern disparos

errneos causados por flujo de corrientes armnicas el los tableros principales y subestaciones del

edificio.

Tambin se observaron niveles muchsimo ms

altos de armnicas (sobre todo de tercer y quinto orden, THD>80%) en los tableros de iluminacin y tomacorrientes en los pisos de las torres (alimentados de los tableros generales). Esto est ocasionando sobrecalentamiento de conductores de neutro, tierra y

transformadores de distribucin, as como tambin

mala operacin de breakers locales, los cuales sensan

la corriente rms total.

Por medio de diferentes mediciones se determin

que las fuentes principales de corrientes armnicas

eran los computadores personales en oficinas,

balastos para iluminacin fluorescente, arrancadores

suaves de motores y equipos de telecomunicacin.

Para la coordinacin de protecciones,

primeramente se busc informacin sobre las

protecciones de sobrecorriente a ser coordinadas, su

rango de ajuste en cada una de sus funciones

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(instantneo, falla a tierra, tiempo de retardo largo, tiempo de retardo corto, etc.), ajustes actuales y curvas de caractersticas de tiempo - corriente;

agrupando estos resultados en tablas para cada

dispositivo. Se realizaron las grficas de tiempo -

corriente de las protecciones de sobrecorriente de fase

y tierra desde la acometida elctrica hasta las barras y

tableros principales, generadores y grandes motores.

Para el dibujo de las grficas se utiliz el programa de coordinacin de protecciones COORD, y se

pudo observar que muchas de las curvas presentaban

problemas de coordinacin, en particular las de

sobrecorriente de tierra.

Como solucin a este problema se realiz la

coordinacin de protecciones proponiendo nuevos

ajustes de los dispositivos de proteccin, buscando una coordinacin completa. Las protecciones contra

fallas a tierra se ajustaron a valores cercanos al mximo para evitar disparos poco selectivos en caso

de fallas monofsicas en tableros aguas abajo. Con los nuevos ajustes se aumenta la selectividad del sistema y se reduce la frecuencia de interrupciones.

Luego de realizada la verificacin de la

capacidades de interrupcin y la coordinacin de

protecciones para las fallas ms frecuentes, y

suponiendo que sucedieran las mismas fallas que han

ocurrido hasta la fecha, la frecuencia media de

interrupciones se reducira a 0,002 veces cada 2 aos.

Este valor mucho menor al actual (1), por lo que, de implementar la propuesta, se cumplira con el

objetivo de la investigacin.

Se hizo un anlisis costo - beneficios de la

propuesta realizada para reducir la frecuencia de

interrupciones, resultando sta factible, tcnica y

econmicamente, y se recupera la inversin hecha en

un perodo de 3 aos aproximadamente.

Conclusiones

La causa principal de la frecuencia de

interrupcin actual en el sistema elctrico del

edificio Petrleos de Venezuela es la inadecuada

coordinacin de las protecciones de sobrecorriente

(poca selectividad) en sus dos subestaciones y tableros principales cuando ocurren fallas simtricas

y asimtricas en el sistema.

Con la ejecucin de este trabajo quedaron actualizados, en gran parte, los diagramas unifilares

del sistema elctrico del edificio y sus dispositivos

de proteccin.

Con el software desarrollado para el clculo de

corrientes de cortocircuito y la metodologa seguida

en esta investigacin, se cuenta con una poderosa

herramienta al momento de realizar un estudio de

cortocircuito en el sistema elctrico de un edificio o

cualquier sistema industrial en general.

Los equipos de proteccin con inadecuadas

capacidades de interrupcin se ubicaron en el orden

de 5% del total de breakers estudiados. En aquellos casos en que los dispositivos de proteccin no poseen

adecuadas capacidades de interrupcin se sugirieron

sustituciones o intercambios por otros que s cumplan

con este requisito.

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El sistema elctrico del edificio posee una

adecuada proteccin contra fallas a tierra galvnicas,

aunque no as ante las fallas a tierra con arco, por ser

stas difciles de detectar. Sin embargo, la

selectividad del sistema no se ve muy afectada por

esta situacin en vista que las fallas ms frecuentes

son las galvnicas y existe un buen mantenimiento en

las instalaciones.

El contenido de corrientes armnicas en las

subestaciones y tableros principales del edificio tiene

poca o ninguna influencia sobre sus equipos de

proteccin principales, y en consecuencia sobre la

frecuencia media de interrupciones.

Con la progresiva incorporacin de equipos

electrnicos a la red elctrica del edificio, el

porcentaje de distorsin armnica en las cargas ir aumentando cada vez ms, por lo que se deben tomar

acciones correctivas.

La propuesta hecha para reducir la frecuencia de

interrupciones es factible, tcnica y econmicamente,

ya que permite la recuperacin de la inversin a corto

plazo y proporciona una ptima proteccin a los

equipos del sistema elctrico.

Con la propuesta sealada, la frecuencia media de

interrupciones se reduce a un valor de

aproximadamente 0,2% del valor actual, por lo que se

cumple con los objetivos de la investigacin.

Este trabajo brinda las herramientas necesarias para aplicar los estudios realizados en cualquier

edificio o sistema industrial en general.

Agradecimiento

Un especial agradecimiento a CORPOVEN S.A.

por la gran colaboracin y financiamiento de este

trabajo de investigacin. Tambin al IUPFAN por la asesora prestada y a todos aquellos que colaboraron

en la elaboracin de este trabajo.

Referencias Bibliogrficas

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